23、火箭自动控制技术解析

火箭自动控制技术解析

1 火箭推力控制方式

1.1 常规推力控制

在火箭的姿态控制中，推力控制是关键环节。通常，为了快速实现姿态控制所需的推力差 ( (T_a - T_b) )，一般会使 ( T_a = T_b = T/2 )，控制扭矩完全由万向节产生。几乎所有的运载火箭都采用多个万向节喷管。例如，NASA 阿波罗计划中土星 - V 火箭的第一级，四个外侧发动机通过万向节实现姿态控制，但没有推力差，因此在进行俯仰 - 偏航控制时无法实现横向力平衡。

1.2 带推力差的万向节控制

假设未来的火箭发动机具备万向节控制和两个喷管快速产生推力差的能力。为了实现横向力平衡，需满足以下条件：
- ( T_a\lambda_a \cos \delta_a = T_b\lambda_b \cos \delta_b )
- ( T_a\lambda_a \sin \delta_a = T_b\lambda_b \sin \delta_b )

其可能的解中，最简单的情况是 ( T_a = T_b )，( \delta_a = \delta_b )，( \lambda_a = \lambda_b )。为了在任意控制扭矩下实现力平衡，喷管的驱动必须协同进行，以满足上述两个方程。显然，连接喷管的刚性轴或固定齿轮装置是不可行的，必须有一个非线性反馈执行器，通过适当调整喷管的推力大小和偏转角来产生净推力和指令扭矩。

对于总推力 ( T ) 且横向力平衡的情况，各喷管推力关系为 ( T_a + T_b \approx T )，净控制扭矩为：
( \tau = 2T_a\lambda_{ad} \sin(\psi -